Plasmões de superfície no eletrodo superior do dispositivo MIM podem aumentar a corrente do eletrodo superior de modo que seja maior do que a corrente do eletrodo inferior, gerando uma corrente líquida positiva. Crédito da imagem:Wang e Melosh. © 2011 American Chemical Society
(PhysOrg.com) - Embora o dispositivo mais comum para converter luz em eletricidade possa ser células solares fotovoltaicas (PV), uma variedade de outros dispositivos podem realizar a mesma conversão de luz em eletricidade, como coletores solares térmicos e retenas. Em um novo estudo, os engenheiros desenvolveram um novo dispositivo que pode converter luz infravermelha (IR) e comprimentos de onda visíveis em corrente contínua usando excitações de plasmon de superfície em um dispositivo simples metal-isolador-metal (MIM).
Os pesquisadores, Fuming Wang e Nicholas A. Melosh, da Universidade de Stanford, publicaram seu estudo sobre o novo dispositivo em uma edição recente da Nano Letras .
“O maior significado até agora é mostrar um método alternativo para retennas e dispositivos fotovoltaicos para IR e conversão de luz visível, ”Melosh disse ao PhysOrg.com. “As eficiências de conversão não são surpreendentemente altas em comparação com um PV no visível, então não vai substituir os PVs, mas pode ser usado para coleta de energia mais tarde. ”
A arquitetura MIM do novo dispositivo é semelhante à de uma retena. Contudo, enquanto as retenas operam com luz de longo comprimento de onda, como microondas e ondas de rádio, o novo dispositivo opera com um amplo espectro de infravermelho a comprimentos de onda visíveis.
Quando o dispositivo MIM está iluminado, os fótons que chegam são absorvidos pelos eletrodos de metal superior e inferior. Após a absorção, cada fóton excita um elétron no metal em um estado de energia mais alto, de modo que se torna um "elétron quente". Cerca de metade dos elétrons quentes viajam em direção à interface isolante de metal, onde eles podem ser coletados pelo outro eletrodo. Contudo, a absorção de fótons nos eletrodos superiores e inferiores gera correntes com sinais opostos, portanto, uma corrente CC líquida é alcançada apenas se a absorção for maior em um eletrodo do que no outro.
Transmissão de elétrons em dispositivos MIM (a) com e (b) sem excitações de plasma de superfície. (c) A fotocorrente medida em um dispositivo com plasmons de superfície (linha preta) é maior do que em um dispositivo sem eles (linha vermelha). Crédito da imagem:Wang e Melosh. © 2011 American Chemical Society
Essa capacidade de maximizar a corrente de um eletrodo e minimizá-la do outro é um dos maiores desafios dos dispositivos MIM. Para fazer isso, os pesquisadores podem alterar a espessura dos eletrodos. Contudo, há uma troca, já que em um eletrodo mais grosso, mais fótons são absorvidos, mas menos elétrons alcançam a interface devido ao aumento do espalhamento.
A solução de Wang e Melosh é usar um prisma para excitar os plamons de superfície (SPs) na superfície metálica dos eletrodos quando sob iluminação. Os SPs, que são pequenas oscilações de elétrons, pode criar uma concentração mais alta de elétrons quentes em um eletrodo por meio do acoplamento eficiente à luz. A eficiência do acoplamento SP depende de vários fatores, como a espessura do eletrodo, o tipo de metal usado, e o comprimento de onda da luz que entra.
“Os SPs ficam excitados com a luz incidente quando o fóton e os vetores de onda SP combinam entre si, Disse Wang. “Para aplicações reais, é mais realista usar padrões de nano-grade em um eletrodo para excitar os SPs. Simplesmente controlando os passos dessas grades, Os SPs podem ser excitados em qualquer comprimento de onda específico. Como resultado, a eficiência da conversão de energia pode ser melhorada na banda óptica do infravermelho para o visível. ”
Os engenheiros calcularam que esses dispositivos MIM aprimorados com SP feitos com eletrodos de prata podem alcançar uma eficiência de conversão de energia de até 4,3% para luz com comprimento de onda de 640 nm. Dispositivos com eletrodos de ouro têm eficiência máxima de 3,5% para luz com comprimento de onda de 780 nm. Ambos os dispositivos também têm boa eficiência teórica em todo o espectro solar - até 2,7% para o dispositivo com eletrodo de prata. Os engenheiros também calcularam que os SPs podem tornar os dispositivos de prata quase 40 vezes mais eficientes do que sem os SPs para luz infravermelha.
Além disso, os pesquisadores fabricaram um dispositivo de ouro-alumina-ouro, com a camada de ouro superior sendo ligeiramente mais espessa do que a camada de ouro inferior. Seus experimentos confirmaram que a luz que atinge a camada superior excita os SPs na superfície, o que faz com que mais elétrons quentes sejam transmitidos do eletrodo superior para o inferior.
Embora a fotocorrente resultante que os pesquisadores mediram fosse menor do que o valor teórico calculado, eles esperam aumentar a fotocorrente no futuro, usando métodos de acoplamento mais eficazes para SPs, otimizando espessuras de metal, e outras estratégias. Em última análise, o dispositivo pode ser útil devido aos comprimentos de onda em que opera.
“Pode funcionar melhor no infravermelho [do que outros dispositivos que convertem luz em DC], que pode ser usado para eliminação de energia, ”Melosh disse.
As outras vantagens dos dispositivos incluem a facilidade de fabricação e a possibilidade de serem realizados em substratos flexíveis.
Copyright 2011 PhysOrg.com.
Todos os direitos reservados. Este material não pode ser publicado, transmissão, reescrito ou redistribuído no todo ou em parte sem a permissão expressa por escrito da PhysOrg.com.
